木基太阳能界面蒸发器研究进展

太阳能界面蒸发作为一种新兴的海水淡化技术,因其能耗低、系统简单、成本低等优点而受到广泛关注。木材作为一种资源丰富、可再生、可生物降解的环境友好型生物质材料,具有独特的多尺度分级结构和丰富的孔隙构造,兼具良好的亲水性与低导热性,是一种极具潜力的太阳能界面蒸发器基体材料。木材通过简单的表面炭化或功能性修饰,即可在保留木材天然结构的基础上提升其表面光热转化能力,实现高效的太阳能界面蒸发。笔者从木材的孔隙构造与化学组成出发,阐述了以木材为基材构建木基太阳能界面蒸发器的天然优势,介绍了木基蒸发器的“双层结构”设计策略,总结了提升木材表面光热转化性能的主要方法,探讨了木材孔隙构造及其结构设计对器件蒸发性能的影响,归纳了当前木基蒸发器的主要抗盐沉积策略,同时分析了木基蒸发器现阶段发展所面临的挑战以及未来研究方向,旨在为促进木材在太阳能海水淡化领域的研究与应用提供参考。

仿生太阳能驱动界面蒸发器的进展与挑战

太阳能驱动界面蒸发(SDIE)作为一种高效、可持续的水资源获取方法,近年来受到了广泛的关注。基于仿生原理设计的太阳能驱动界面蒸发器在提高能源转换效率、降低盐结晶和抗污染等方面展现了巨大的潜力,在解决淡水资源紧缺和能源短缺等问题上发挥重要作用。该文梳理了近年来的仿生学在SDIE领域的应用,对比了仿生太阳能驱动界面蒸发器的结构、性能和仿生机理,探讨了不同类型仿生太阳能驱动界面蒸发器的优缺点,分析了仿生太阳能驱动界面蒸发器所面临的共性问题,并提出了未来的研究挑战。

光热材料-木材太阳能驱动界面蒸发器研究进展

【目的】通过研究太阳能驱动界面蒸发技术,更好地实现该技术在解决淡水资源短缺方面的应用。【进展】总结太阳能界面蒸发技术的工作原理、光热材料、蒸发器基体等;概括光热材料-木材蒸发器的结构设计;着重综述使用碳基材料、金属纳米材料、半导体、有机聚合物等光热材料结合木材的蒸发器的系列研究结果。【前景】认为太阳能界面蒸发器可以充分利用光能,是一种替代传统海水淡化获取清洁淡水的很有前途的方法;碳基材料、金属纳米材料、半导体和有机聚合物是常用的高效光热转换光热材料;利用木材本身的优异性能进行结构与功能设计,可以改善水传输效率低及耐久性差等不足;基于光热材料-木材的太阳能界面蒸发技术,为制备洁净水和解决淡水资源匮乏问题提供了新思路。建议不断研发新型光热转换材料,以获得高光热转换效率的多功能性木材基太阳能蒸发器,并降低材料的制备成本以及制备难度;进一步研究并明确传热和传质机制,控制木材的多孔网络以匹配水的相变和蒸汽扩散的速率;尝试将小木块组装成大木板蒸发器,以提高蒸发器的可扩展性。

木材用于太阳能界面蒸发器的研究进展

开发低成本、高效率太阳能界面蒸发器是解决淡水资源短缺问题的有效途径之一。太阳能界面蒸发器的材料需要具有多孔性、亲水性和光热转换功能。虽然天然木材具有独特的多孔结构、优异的亲水性以及低热导率,但是木材不具有光热转换功能、易发霉、易油污等特性限制了其用作太阳能界面蒸发器。近年来,木材光热转换功能化改良、木材输水能力提升、木材蒸发器脱盐、防霉、防油等研究为木材应用于太阳能界面蒸发器奠定了基础。综述了近年来木材作为蒸发器的研究情况,并讨论了未来研究的发展方向。

碳氮化钛/粘胶纤维束集合体太阳能界面水蒸发器的制备及其性能

为提高太阳能光热转化效率,基于太阳能驱动的界面水蒸发原理,结合粘胶纤维的形貌和性能特点,通过在垂直排列的粘胶纤维束端面构筑碳氮化钛(MXene)作为光热转化层,制备MXene/粘胶纤维束集合体太阳能界面水蒸发器,并系统分析MXene涂层数、光照强度对太阳能界面水蒸发器蒸发性能及稳定性的影响。结果表明:粘胶纤维表面的沟槽结构及其集合体垂直排列形成的毛细孔为水传输提供了有利通道;纤维束集合体端面涂覆光热转换材料MXene和增加光照强度有利于提高器件的水蒸发性能,当MXene涂层数由1层增加至5层时,其蒸发速率和蒸发效率分别从0.78 kg/(m^(2)·h)和39.4%提高至1.47 kg/(m^(2)·h)和74.4%;随着光照强度的增大,太阳能界面水蒸发器的蒸发性能也随之大幅提高,当光照强度由1 kW/m^(2)增加到5 kW/m^(2)时,其蒸发速率由1.47 kg/(m^(2)·h)提高至6.45 kg/(m^(2)·h),蒸发效率由70.6%提高至82.4%;太阳能界面水蒸发器在2 kW/m^(2)的光照强度下使用144 h后,其蒸发速率和蒸发效率仍分别高达3.31 kg/(m^(2)·h)和82.1%,与初始值相比仅降低4.1%和3.5%,具有较好的稳定性能。

用于农田灌溉的轻木基水蒸发器的制备和性能研究

【目的】在淡水资源愈发短缺的背景下,解决传统的海水淡化技术存在的能耗大、成本高、污染重等问题,利用海水淡化技术为农田灌溉提供可持续的水资源。【方法】通过利用植酸水溶液(Phytic acid,PA)对轻木(Balsa wood,BW)表面进行改性,成功制备了具备优异蒸发性能的植酸改性轻木水蒸发器(PA-BW)。以自浮性优异的轻木为研究基础,利用植酸对轻木蒸发面进行一步处理,在120℃的环境中进行保温处理,成功制作了具有优异光-热转化能力的太阳能界面水蒸发器。【结果】PA-BW蒸发器在1个太阳的光照强度下有着1.64 kg·m-2·h-1的蒸发速率和高达94.1%的光-汽转化效率,远远优于未经处理的轻木(0.81 kg·m-2·h-1,44.7%)。【结论】PA-BW蒸发器由于实验步骤简单、成分不会对环境造成负担和污染,具有很大的优势。并且木材改性的方案具有简便、温和、通用性强等优点,在未来利用海水淡化技术助力农田灌溉的研究中具有一定的借鉴意义。

纤维基界面光热蒸发器表面除盐的研究进展

为深入探究具有能量转换效率高、清洁无污染的界面光热蒸发器,简要介绍了当前纤维基界面光热蒸发器表面除盐的研究进展,以及其在海水淡化与浓盐处理等领域的应用,探讨了界面蒸发过程中水分迅速逃逸导致的盐分析出抑制对光的吸收和堵塞蒸汽溢出通道的作用机制,以及产生的降低器件蒸汽产生速率及使用周期的影响。分析了基于纤维材料设计的除盐策略,包括主动式(水洗除盐与区域结晶盐收集)和被动式(自清洁设计、对流效应、定向流体传输与Janus织物设计)。最后,对纤维材料在太阳能界面蒸发器表面除盐设计所面临的挑战及未来潜在的应用前景进行总结与展望。

界面光热蒸发器的研究进展

新兴的界面光热蒸发器能够将收集的太阳辐射能转换为热能后限制在表水层而不是整个水体,从而可在太阳辐射条件较弱时实现较高的光热转换效率。本文介绍了界面光热蒸发器的组成及运行过程,概述了其性能的评价方法,详细讨论了光热吸收层的光热吸收性、隔热层的热管理能力与水汽输运通道的水汽输运能力等因素对界面光热蒸发器性能产生的影响,并概括了界面光热蒸发器在海水淡化、灭菌及发电等领域的应用,展望了界面光热蒸发器潜在的发展与应用方向。

网状骨架CVD生长碳纳米管用于重盐水脱盐

目前,太阳能海水淡化领域通过光子管理、纳米尺度热调控、开发新型光热转换材料、设计高效光吸收太阳能蒸馏器等方法实现了界面太阳能驱动蒸汽生成,这种绿色、可持续的脱盐技术已成为近年来的研究热点。碳基材料如碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨等都有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力,是一类新型的光热转换材料。本文通过对材料进行微结构设计,使用化学气相沉积(CVD)技术,在不锈钢网状骨架上生长碳纳米管形成光热转换活性区,以实现高效光吸收、光热转换,并进一步设计了房屋型太阳能蒸发器,其中盐水表面被微米网状-碳纳米管蒸发膜覆盖,利用光热转换过程产生的热量驱动重盐水中的水蒸发产生水蒸气,最后对水蒸气进行冷凝回收实现脱盐。实验结果表明,当光照强度为1个太阳光(1 kW·m-2)时,膜表面温度迅速升高并稳定于84.37°C,对于重盐水(100 g·L-1 NaCl)的脱盐率达到99.92%,可实现稳定持续的重盐水脱盐。这种方法可用于构建多孔界面光热转换脱盐系统,对设计界面光蒸汽转化膜材料及器件,实现规模化海水淡化具有重要的意义。